Оптимизация работы водонагревательной установки после замены метана смесью метана с водородом или пропан-бутановым топливом
Оптимизация работы водонагревательной установки после замены метана смесью метана с водородом или пропан-бутановым топливом
Аннотация
Данная работа посвящена оптимизации процесса горения углеводородных топлив переменного состава. Использовалась лабораторная модель водонагревательной установки, позволяющей обеспечить устойчивое горение смеси метана с водородом или пропан-бутановым топливом в интервале концентраций примесей к метану от 0 до 26%. Начальный режим работы установки соответствует горению стехиометрической смеси метана с воздухом с заданной начальной разностью температур воды на входе и выходе теплообменника. Добавка к метану водорода или пропан-бутанового топлива приводит к снижению начальной разности температур воды или неполному сгоранию топлива, соответственно. Фиксируется концентрация примесей к метану и производятся изменения расхода топлива и воздуха. Процесс оптимизации завершается, когда разность температур воды становится равной начальному значению. Анализ показал, что в этом случае смесь топлива с воздухом имеют практически стехиометрический состав. На основании известной математической модели проведен расчет оптимальных расходов топлива и воздуха в зависимости от концентраций примесей к метану. Расхождение результатов расчета и эксперимента не превышают 3%.
1. Введение
Одним из направлений решения задач энерго- и ресурсосбережения является использование альтернативных видов топлива, например, синтез газа, биогаза, попутного нефтяного газа (ПНГ) или промышленных отходов, получаемых в процессе переработки нефтяного сырья , .
В настоящее время изучается возможность использования ПНГ и смеси природного газа с водородом, содержащемся в ряде нефтехимических отходов, в действующих тепловых энергетических установках , .
Замена природного газа альтернативным топливом может привести к нарушению стабилизации пламени. Изменяются условия оптимальной работы энергетической установки, содержащиеся в инструкции по эксплуатации, например, в Режимной карте паровых и водогрейных котлов. Кроме того, необходимо иметь в виду, что состав ПНГ и водородосодержащих отходов может изменяться с течением времени.
В работах , была разработана математическая модель, позволяющая оптимизировать процесс горения смесей углеводородов метанового ряда в случае изменения удельной теплоты сгорания топлива. Целью оптимизации было нахождение расходов топлива и воздуха, для которых заданная скорость тепловыделения, которая была до изменения удельной теплоты сгорания, достигалась при полном сгорании и минимальном расходе топлива.
Было показано, что после изменения объемной теплоты сгорания топлива (УТС) на некоторую относительную величину для оптимизации процесса горения необходимо изменить расход топлива на туже относительную величину, но в противоположном направлении. Расход воздуха остается постоянным.
В работах , были получены зависимости УТС и оптимальных расходов смесей метана с водородом или пропан-бутановым топливом от концентраций примесей к метану.
Однако, достоверность полученных теоретических результатов пока не подтверждена экспериментально.
Цель данной работы – экспериментальное и теоретическое определение условий оптимального горения смесей метана с водородом или пропан-бутановым топливом в водонагревательных установках. Использовалась лабораторная водонагревательная установка (рис. 1). Полное описание экспериментального стенда дано в работах , .
Рисунок 1 - Схема экспериментального стенда
Примечание: 1 – манометр; 2 – воздуходувное устройство; 3 – лабораторный автотрансформатор; 4 – вентили, регулирующие подачу газов в установку; 5 – расходомеры; 6 – смеситель; 7 – горелочное устройство; 8 – камера сгорания; 9 – пламя; 10 – теплообменник; 11 – водяной насос; 12, 13 – цифровой датчик температуры (тип DS18S20); 14 – бак с горячей водой; 15 – бак с холодной водой; 16 – газовые баллоны (метан, пропан-бутан, водород)
2. Основные результаты
Анализ состава используемых газов проводился на лабораторном хроматографе ЛХМ-80. Результаты определения компонентного состава газов представлены в Таблицах 1-3.
Таблица 1 - Химический состав баллонного метана (газ под давлением)
Состав газа | CH4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 (бутан) | H2S | О2 |
Содержание, % | 93,84 | 1,29 | 0,86 | 0,54 | 2,9 | 0,57 |
Таблица 2 - Химический состав технического пропан-бутанового топлива (газ под давлением)
Состав газа | C3H8 | C4H10 (бутан) | C4H10 (изобутан) | H2S | О2 |
Содержание, % | 75 | 6,9 | 8,77 | 4,13 | 5,2 |
Таблица 3 - Химический состав баллонного водорода (газ под давлением)
Состав газа | H2 |
Содержание, % | 99,99 |
С учетом этих данных нормативным методом теплового расчета котлов были определены значения низшей объемной теплоты сгорания и количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 м3 используемых газов (Таблица 4).
Таблица 4 - Значения объемной теплоты сгорания и количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 м3 используемых газов
Газ | Объемная теплота сгорания (низшая), q, кДж/м3 | Объем воздуха, для полного сгорания 1 м3, V0, м3 |
Метан | 36644,33 | 9 |
Пропан-бутан | 90222,33 | 22,75 |
Водород | 10790 | 2,38 |
В результате предварительных испытаний было установлено, что расход метана 1,8 л/мин, расход воздуха 17,5 л/мин, расход воды в теплообменнике 0,54 л/мин, соответствуют оптимальному режиму горения (коэффициент избытка воздуха α=1) с разницей выходной и входной температур воды 21,5 °С и позволяет довести концентрацию примесей к метану до 26 %, сохраняя устойчивость пламени.
При постоянном расходе топлива Vf = Vm,0=1,8 л/мин и воздуха Va=Va,0=17,5 л/мин наличие примесей к метану изменяет характер горения. Если концентрация примеси к метану η, то расход метана Vm=Vm,0(1-η), а расход примеси Vm,0·η. Тогда с учетом значений объема воздуха V0, необходимых для полного сгорания 1 м3 каждого используемого топлива, коэффициент избытка воздуха смеси метана с водородом или с пропан-бутановым топливом определяется следующими соотношениями:
При тех же постоянных расходах топлива и воздуха были проведены измерения разности температур воды в теплообменнике в зависимости от концентрации пропан-бутана или водорода в смеси с метаном. Результаты вычислений по формулам (1-2), представленные на рис.2 и экспериментальные данные (рис.3) показали следующее. При постоянных расходах топлива и воздуха, постоянном расходе воды, увеличение концентрации водорода в смеси с метаном до 26% приводит к тому, что начальный (η=0) оптимальный (α=1) режим горения становится не оптимальным (α=1,24). Выходная температура воды уменьшается на 2 °С относительно начального значения. При постоянном расходе топлива и воздуха, постоянном расходе воды увеличение концентрации пропан-бутанового топлива в смеси с метаном до 26% приводит к тому, что начальный оптимальный режим горения становится неоптимальным (α=0,74), вследствие неполноты сгорания топлива. Выходная температура воды в начальный момент времени повышается на 0,5 °С, затем (α=0,84) начинает быстро уменьшаться.
Рисунок 2 - Зависимость коэффициента избытка воздуха смеси метана с водородом или метана с пропан-бутановым топливом от концентраций добавляемых газов
Рисунок 3 - Изменение разности температур воды в зависимости от коэффициента избытка воздуха
Примечание: ηh – концентрация водорода, ηp – концентрация пропан-бутана в смеси с метаном
Оптимизация режима работы нагревательной установки проходила при постоянном первоначальном расходе воздуха. В качестве примера рассмотрим неоптимальный режим горения смесей метана с водородом: η=26%, Vf,0=1,8 л/мин, α=1,24, Δtw=19 °C. Расход метана и водорода изменялся таким образом, что расход смеси увеличивался при условии η=const. Измерения показали (рис. 4), что заданная разность температур воды Δtw,0=21,5 °C достигается, когда расход смеси увеличивается до 2,2 л/мин. В этом случае расчет показал, что коэффициент избытка воздуха близок к единице.
Рисунок 4 - Изменение разности выходной и входной температур воды при изменении расхода смеси метана с водородом (1) или пропан-бутановым топливом (2)
Таблица 5 - Условия оптимального горения в зависимости от расхода и состава смеси метана с водородом
η, % | 0 | 5 | 8 | 11 | 14 | 17 | 20 | 23 | 26 |
Vf, л/мин | 1,8 | 1,85 | 1,9 | 1,95 | 2,0 | 2,1 | 2,1 | 2,2 | 2,2 |
α | 1,0 | 1,01 | 1,01 | 1,01 | 1,01 | 0,99 | 1,01 | 0,99 | 1,02 |
Примечание: Qa,0=17,5 л/мин, Δtw,0= 21,5 °C
Аналогичный эксперимент был проведен для смеси метана с пропан-бутановым топливом (Таблица 6). В этом случае при постоянном расходе воздуха и концентрации примеси необходимо уменьшить расхода смеси. Если η=26% (рис.6) начальная точка (Δtw=21 °C, расход смеси 1,8 л/мин) соответствует неполному сгоранию топлива (α=0,79). Оптимизация горения происходит при увеличении расхода смеси до 1,3 л/мин.
Таблица 6 - Условия оптимального горения в зависимости от расхода и состава смеси метана с пропан-бутановым топливом
η, % | 0 | 5 | 8 | 11 | 14 | 17 | 20 | 23 | 26 |
Vf, л/мин | 1,8 | 1,7 | 1,65 | 1,55 | 1,5 | 1,45 | 1,4 | 1,35 | 1,3 |
α | 1,0 | 0,99 | 1,02 | 1,01 | 1,01 | 1,01 | 1,01 | 1,02 | 1,02 |
Примечание: Qa,0=17,5 л/мин, Δtw,0= 21,5 °C
Согласно, работе оптимизирующие расходы топлива определяются соотношениями:
где для метано-водородного топлива λh = 0,7, для смесей метана с пропан-бутановым топливом λp = 1,46.
С учетом этих соотношений, были вычислены оптимальные расходы исследуемых смесей для условий проведения эксперимента (Vf=Vf,0(1+θf) в интервале концентраций примесей от 0 до 26%).
Результаты расчета и эксперимента представлены на Рис. 5, максимальное расхождение данных – 3%.
Рисунок 5 - Зависимости оптимальных расходов исследуемых смесей от концентраций примесей к метану
Примечание: 1 – метан с водородом; 2 – метан с пропан-бутановым топливом; точки – экспериментальные данные, линии – теоретические данные
3. Заключение
Итак, в результате проведенного исследования установлено следующее:
1. Для расходов топлива и воздуха, при которых горение метана – оптимальное, горение смеси метана с водородом или пропан-бутановым топливом становится неоптимальным. Если к метану добавляется водород, топливо сгорает полностью, но не эффективно, т.к. происходит резкое снижение разности выходной и входной температур воды. Если метан смешивается с пропан-бутановым топливом, наблюдается неполнота сгорания.
2. Получены соотношения, которые в зависимости от концентрации водорода или пропан-бутанового топлива в смеси с метаном определяют какими должен быть расход смеси и воздуха, чтобы режим горения был оптимальным с разностью выходной и входной температур воды такой же, как в случае сжигания одного метана.
3. Результаты расчетов с использованием полученных соотношений согласуются с экспериментальными значениями расходов исследуемы смесей для оптимальных режимов горения с постоянной разностью выходной и входной температур воды. Для концентраций примесей к метану от 0 до 26% максимальное расхождение результатов расчета и эксперимента составляет 3%.